量子力學(xué)的鬼魅：既生又死的狀態(tài)

在今日看來(lái)，已經(jīng)沒(méi)有人再會(huì)去對(duì)量子力學(xué)產(chǎn)生懷疑了。

但是，在量子力學(xué)誕生的年代里，它卻如鬼魅般折磨著科學(xué)家們，甚至曾經(jīng)提出它的科學(xué)家們都曾極力地去否決它。

不確定性原理

在普朗克提出量子說(shuō)、愛(ài)因斯坦提出波粒二象性之后，科學(xué)家們就在嘗試如何去解釋波粒二象性及其測(cè)量問(wèn)題。

但是，隨著人們對(duì)微觀(guān)粒子的行為進(jìn)行研究時(shí)，一些奇特的現(xiàn)象就出現(xiàn)了。

1927年，德國(guó)科學(xué)家海森堡在其論文中如此設(shè)想：

用一個(gè)γ射線(xiàn)顯微鏡來(lái)觀(guān)察一個(gè)電子的坐標(biāo)，因?yàn)棣蒙渚€(xiàn)顯微鏡的分辨本領(lǐng)受到波長(zhǎng)λ的限制，所用光的波長(zhǎng)λ越短，顯微鏡的分辨率越高，從而測(cè)定電子坐標(biāo)不確定的程度就越小，所以

△q∝λ

但另一方面，光照射到電子，可以看成是光量子和電子的碰撞，波長(zhǎng)λ越短，光量子的動(dòng)量就越大，所以有

△p∝1/λ

再比如，用將光照到一個(gè)粒子上的方式來(lái)測(cè)量一個(gè)粒子的位置和速度，一部分光波被此粒子散射開(kāi)來(lái)，由此指明其位置。

但人們不可能將粒子的位置確定到比光的兩個(gè)波峰之間的距離更小的程度，所以為了精確測(cè)定粒子的位置，必須用短波長(zhǎng)的光。

但普朗克的量子假設(shè)，人們不能用任意小量的光：人們至少要用一個(gè)光量子。這量子會(huì)擾動(dòng)粒子，并以一種不能預(yù)見(jiàn)的方式改變粒子的速度。

所以，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是如果要想測(cè)定一個(gè)量子的精確位置的話(huà)，那么就需要用波長(zhǎng)盡量短的波，這樣的話(huà)，對(duì)這個(gè)量子的擾動(dòng)也會(huì)越大，對(duì)它的速度測(cè)量也會(huì)越不精確；

如果想要精確測(cè)量一個(gè)量子的速度，那就要用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的波，那就不能精確測(cè)定它的位置。

于是，經(jīng)過(guò)一番推理計(jì)算，海森堡得出：

△q△p≥?/2（?=h/2π, h:普朗克常量）

海森堡寫(xiě)道：“在位置被測(cè)定的一瞬，即當(dāng)光子正被電子偏轉(zhuǎn)時(shí)，電子的動(dòng)量發(fā)生一個(gè)不連續(xù)的變化，因此，在確知電子位置的瞬間，關(guān)于它的動(dòng)量我們就只能知道相應(yīng)于其不連續(xù)變化的大小的程度。于是，位置測(cè)定得越準(zhǔn)確，動(dòng)量的測(cè)定就越不準(zhǔn)確，反之亦然。”

這個(gè)理論曾經(jīng)被稱(chēng)為“測(cè)不準(zhǔn)原理”。但是，如此稱(chēng)謂卻給人們一種錯(cuò)覺(jué)，因?yàn)槔锩婷黠@存在一種“觀(guān)察者效應(yīng)”在里面干擾微觀(guān)粒子的行為。

那么如果觀(guān)察者不去觀(guān)察粒子，粒子的行為是不是就不會(huì)不確定了呢？

后來(lái)科學(xué)家厄爾·肯納德也在同年得出海森堡類(lèi)似的結(jié)果，而且他通過(guò)數(shù)學(xué)證明，微觀(guān)粒子的不確定性行為與觀(guān)察者的行為并沒(méi)有關(guān)系。

因?yàn)楦鶕?jù)方程式人們可以清晰地看見(jiàn)，此時(shí)的微觀(guān)粒子的運(yùn)動(dòng)其實(shí)除了具有粒子性也具有波動(dòng)性，而就像所有波的系統(tǒng)一樣，波的運(yùn)動(dòng)軌跡是無(wú)法確定的。

所以，微觀(guān)粒子運(yùn)動(dòng)的不確定性是粒子固有的，并不與觀(guān)察者效應(yīng)有關(guān)。也正是出于這種目的考慮，現(xiàn)在人們?cè)诒硎鲞@一特性時(shí)，已經(jīng)不再使用“測(cè)不準(zhǔn)原理”，而改用“不確定性原理”這一稱(chēng)謂。

玻爾的互補(bǔ)性原理學(xué)說(shuō)

就在海森堡提出不確定性原理的同年，玻爾提出了量子互補(bǔ)性原理。對(duì)于海森堡的微觀(guān)粒子的位置和動(dòng)量二者不可同時(shí)測(cè)量的特性。

玻爾如此解釋到，在經(jīng)典宏觀(guān)世界里，人們可以用同一種設(shè)備去不斷測(cè)試物體的性質(zhì)，而測(cè)試所帶來(lái)的差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響微乎其微，所以并不會(huì)影響人們?nèi)カ@得物體的完整的屬性。

但是，當(dāng)?shù)搅宋⒂^(guān)世界，任何測(cè)試手段都將作用或部分作用于微觀(guān)粒子，而這種測(cè)試行為卻將引起微觀(guān)粒子的屬性發(fā)生根本改變，所以無(wú)法用一種測(cè)試方法來(lái)獲得微觀(guān)粒子的所有信息。

因此不能用同一個(gè)實(shí)驗(yàn)去測(cè)量物體所有的性質(zhì)，不同的實(shí)驗(yàn)也就可能得出互相矛盾的結(jié)果，這些結(jié)果無(wú)法放到一個(gè)統(tǒng)一的物理圖景中，只有用互補(bǔ)原理這個(gè)更寬廣的思維框架將這些互相矛盾的性質(zhì)結(jié)合起來(lái)，才能去盡量更完整地描述微觀(guān)現(xiàn)象。

當(dāng)時(shí)玻爾為什么會(huì)如此構(gòu)思，其實(shí)是有其背景環(huán)境的：

3年前德布羅意提出物質(zhì)波，2年前玻爾的學(xué)生海森堡從對(duì)應(yīng)原理提出矩陣力學(xué)，而1年前年薛定諤從波動(dòng)性導(dǎo)出波動(dòng)力學(xué)，后來(lái)證明這兩種力學(xué)在數(shù)學(xué)上是等價(jià)的。

這些結(jié)果表明，不論從粒子性還是從波動(dòng)性進(jìn)行理論分析都會(huì)得到相同的結(jié)果。

于是，在此基礎(chǔ)上，玻爾提出：光和粒子都有波粒二象性，而波動(dòng)性與粒子性又不會(huì)在同一次測(cè)量中出現(xiàn)，那么，二者在描述微觀(guān)粒子時(shí)就是互斥的；另一方面，二者不同時(shí)出現(xiàn)就說(shuō)明二者不會(huì)在實(shí)驗(yàn)中直接沖突。同時(shí)二者在描述微觀(guān)現(xiàn)象，解釋實(shí)驗(yàn)時(shí)又是缺一不可的。因此二者是“互補(bǔ)的”。

哥本哈根學(xué)派誕生

在盧森堡提出不確定性原理，玻爾提出互補(bǔ)原理之后，以丹麥哥本哈根為代表的學(xué)術(shù)團(tuán)體正式形成。在他們的理論發(fā)展過(guò)程中，概率特性伴隨著微觀(guān)粒子的始終。當(dāng)年人們由馬克斯·玻恩所提出的波函數(shù)的概率表述發(fā)展出不確定性原理，量子理論中的概率特性便不再是猜想，而是作為一條定律而存在了。

既然，微觀(guān)粒子存在概率行為，自然玻爾等對(duì)量子行為的解釋就不再滿(mǎn)足于去尋找“經(jīng)典”的解釋方案。

在薛定諤提出波動(dòng)力學(xué)之后，玻爾等人嘗試用概率幅的概念去解釋量子行為。雖然薛定諤本人對(duì)此明確表示反對(duì)，但是，量子力學(xué)中的“鬼魅”卻產(chǎn)生了。

在哥本哈根學(xué)派的理論中，粒子本身的狀態(tài)就有概率性，而在概率性的背后有著它背后的“波函數(shù)”。

當(dāng)波函數(shù)坍縮，粒子出現(xiàn)與否就見(jiàn)分曉，而在波函數(shù)坍縮之前，粒子的狀態(tài)是“混沌”的。也就是說(shuō)，粒子介于“出現(xiàn)”和“不出現(xiàn)”之間！

顯然，這種現(xiàn)象是違反經(jīng)典世界觀(guān)的，因?yàn)槲覀儚奈纯吹接蟹N東西可以處于“既生又死”的狀態(tài)。于是，愛(ài)因斯坦對(duì)此進(jìn)行反駁，他認(rèn)為波爾等的思想是極其荒謬的。他堅(jiān)持“上帝是不會(huì)擲骰子的”。波爾的學(xué)說(shuō)是違反邏輯的。

支持愛(ài)因斯坦的薛定諤為此提出了一種“既死又活的貓”的思想假說(shuō)，以試圖證明波爾等人的錯(cuò)誤。

他指出，將一只貓關(guān)在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發(fā)生衰變，會(huì)觸發(fā)機(jī)關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會(huì)死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)量子力學(xué)理論，由于放射性的鐳處于衰變和沒(méi)有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就理應(yīng)處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)。這只既死又活的貓就是所謂的“薛定諤貓”。但是是不可能存在既死又活的貓，則必須在打開(kāi)箱子后才知道結(jié)果。

但是萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到，薛定諤的貓非但沒(méi)有將波爾等人的駁倒，卻在宣揚(yáng)哥本哈根學(xué)派解釋下的量子力學(xué)學(xué)說(shuō)起到推波助瀾的效果。

既然，科學(xué)界對(duì)量子力學(xué)有如此大的分歧，那自然調(diào)和這種分歧就需要碰撞。

于是，物理學(xué)史上著名的量子力學(xué)大辯論就此拉開(kāi)序幕。雙方辯論的主力分別是波爾和愛(ài)因斯坦。篇幅所限，具體內(nèi)容就不再細(xì)述。但是其爭(zhēng)辯的結(jié)局卻是，誰(shuí)也說(shuō)服不了誰(shuí)！

愛(ài)因斯坦在論戰(zhàn)中一直試圖去證明哥本哈根學(xué)派的錯(cuò)誤，但是所有努力卻都被波爾等化解。

在當(dāng)時(shí)，鑒于愛(ài)因斯坦在科學(xué)界的權(quán)威，以及波爾等人的學(xué)說(shuō)的“非經(jīng)典性”。人們對(duì)此都持遲疑狀態(tài)。

但是，根本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)的解釋卻因此進(jìn)入大眾的視角。

隨著愛(ài)因斯坦的去世，人們似乎再也無(wú)法組織像樣的對(duì)量子力學(xué)的攻擊。

于是，量子力學(xué)慢慢在科學(xué)界贏得更多支持。

1996年，美國(guó)科學(xué)家宣布，他們成功讓6個(gè)鈹離子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自旋方向完全相反的宏觀(guān)量子疊加態(tài)，也就是量子力學(xué)理論中的“薛定諤貓”態(tài)。

Monroe等人用單個(gè)鈹離子做成了“薛定諤的貓”并拍下了快照，發(fā)現(xiàn)鈹離子在第一個(gè)空間位置上處于自旋向上的狀態(tài)，而同時(shí)又在第二個(gè)空間位置上處于自旋向下的狀態(tài)，而這兩個(gè)狀態(tài)相距80納米之遙！（1納米等于1毫微米）——這在原子尺度上是一個(gè)巨大的距離。

想像這個(gè)鈹離子是個(gè)通靈大師，他在紐約與喜馬拉雅同時(shí)現(xiàn)身，一個(gè)他正從摩天樓頂往下跳傘；而另一個(gè)他則正爬上雪山之巔！——量子的這種“化身博士”特點(diǎn)，物理學(xué)上稱(chēng)“ 量子相干性”。

1997年，在一場(chǎng)量子力學(xué)研討會(huì)上，舉行了一個(gè)關(guān)于詮釋論題的意向調(diào)查，根據(jù)這調(diào)查的結(jié)果，超過(guò)半數(shù)的物理學(xué)家對(duì)哥本哈根詮釋感到滿(mǎn)意。